Das Vorkommen von Oberschwingungen in Wechselstrom-Versorgungsnetzen ist seit Jahren bekannt und wurde bereits in vielen Publikationen thematisiert. In jüngster Zeit rückt dieses Thema jedoch verstärkt in den Fokus der Wahrnehmung, da die Auswirkungen von Oberschwingungen in elektrischen Versorgungsnetzen spürbaren Einfluss beispielsweise auf das produzierende Gewerbe haben. Besonders in Industrienetzen können Oberschwingungen zu einem Ausfall von elektrischen Verbrauchern und damit zu einer Beeinträchtigung des Produktionsprozesses führen. In elektrischen Industrienetzen sind Oberschwingungen ständig präsent, diese werden jedoch oft nicht als kritisch erkannt.
Häufige Ursachen für das Auftreten von Oberschwingungen ist die Verwendung von nicht linearen Lasten in modernen Produktionsprozessen. Dazu zählen beispielsweise:
- Frequenzumrichter für elektrische Antriebe
- Schaltnetzteile für Beleuchtung (LED/Energiesparlampen)
- Ladesysteme für Batterien
- IT-Anlagen
Der Einsatz von nicht linearen Lasten bringt für den Nutzer spürbare Vorteile mit sich. Hier ist besonders der hohe elektrische Wirkungsgrad in Verbindung mit einem geringen Energieverbrauch hervorzuheben. Als weitere Vorteile beim Einsatz von Gleichrichtern mit Schaltnetzteiltechnik sind die geringe Restwelligkeit und die hohe Regelgenauigkeit zu nennen. Jedoch führt der Einsatz dieser nicht linearen Lasten zu einer Verzerrung des idealen, sinusförmigen Netzstroms beziehungsweise der Netzspannung.
Oberschwingungen in Verbindung mit (Galvanik-)Gleichrichtern
Grundsätzlich gilt, dass Schaltnetzteil- beziehungsweise thyristorbasierte Gleichrichter mit passiver Gleichrichtung stromharmonische Oberschwingungen erzeugen. Diese führen zu einer nichtsinusförmigen Stromentnahme (Verzerrung), die als Netzrückwirkungen messbar sind.
In der Praxis werden die gesamt harmonische Verzerrung des Stroms (THDI) beziehungsweise der Spannung (THDU) herangezogen, um die Qualität eines Versorgungsnetzes zu beurteilen. Alle erzeugten Oberschwingungsströme in einem Netzwerk müssen durch die vorhandenen Impedanzen und alle weiteren parallelen Zweige fließen, was zu nichtlinearen Spannungsabfällen an den Impedanzen führt. Die dadurch erzeugten Oberschwingungsspannungen verbreiten sich auf das gesamte Netzwerk und beeinflussen die Qualität der Versorgungsspannung an anderen Geräten (Abb. 1). Dadurch ist die harmonische Verzerrung des Stroms eine Ursache für die Verzerrung der Spannung.
Abb. 1: Strom- und Spannungsverzerrung bei passiver Gleichrichtung anhand typischer Verläufe
Technische Maßnahmen zur Kompensierung von Oberschwingungen
Konventionelle Oberschwingungsfilter werden lastnah installiert und erzeugen einen Kompensationsstrom zur Verringerung von Oberschwingungen in einem elektrischen Versorgungssystem. In der Gesamtsystembetrachtung reduzieren Oberschwingungsfilter den Systemwirkungsgrad durch den zusätzlichen Spannungsabfall am Filter.
Eine weitere Alternative zur Reduzierung von Oberschwingungen in einem elektronischen Versorgungsnetz ist der Einsatz von Verbrauchern mit aktiver Gleichrichtung, der sogenannten Active Front End (AFE)-Technologie (Abb. 2). Diese Verbraucher verhalten sich wie eine ohmsche Last im elektrischen Versorgungssystem, das heißt die Stromentnahme erfolgt sinusförmig.
Abb. 2: Strom- und Spannungsverzerrung bei aktiver Gleichrichtung anhand des typischen Verlaufs
Abb. 3: Oberwellenspektrum der Power Station pe5910 – AFE bei 200 kW DC Leistung
Mit dem Gleichrichterschrank Power Station pe5910 - AFE von plating electronic ist nun ein Gleichrichtergerät mit aktiver Gleichrichtung mit 230 kW DC beziehungsweise 10 000 A am Markt verfügbar. Die integrierte AFE-Technologie im Gleichrichter führt zu einer deutlichen Reduktion von stromharmonischen Oberschwingungen (Abb. 3) und einer Verbesserung des Wirkungsgrades.
Die Verwendung von Gleichrichtern mit AFE-Technologie bietet folgende Vorteile:
- Sinusförmige Stromentnahme verhindert Spannungsverzerrungen, ohne dass eine Oberschwingungskompensation für den Gleichrichterbetrieb notwendig ist
- Erhöhung des Leistungsfaktors von 0,95 bis zu 1,00
- THDI-Reduktion auf unter drei Prozent
- Reduzierter Phasenstrom durch sinusförmige Stromentnahme, also eine geringere Belastung des Versorgungstrafos sowie eine reduzierte Trafodimensionierung für Gleichrichterbetrieb
- Hoher Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent durch aktive Gleichrichtung (AFE-Technologie)
- www.plating.de
